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实时可视化的无线压力传感平台

Release date:2019-12-23 14:32:10      Views:1166people

  随着物联网和可穿戴电子技术的日益进步,对各种传感器的开发需求也在迅速增长。压力映射传感器由于与人机界面和人造皮肤密切相关,因此需求迫切。常规的压力传感器使用各种机械和电气压力感测方法,比如压电,压阻,以及电容感应机制。此外,场效应晶体管压力传感器被广泛地用于电子设备中。这使其易于与其他附件一起使用,并且通过使用有源矩阵结构可以实现最小的串扰。近期,研究人员表明可以通过监测场效应晶体管中栅极感应效应的变化来测量大范围的压力,在这些场效应晶体管中,介电层被空气取代,从而介电层的厚度随外部接触而变化。但是,尽管具有这些优点,但仍需要庞大的设备来操作整个系统,例如外部电源和读取电信号所需的设备,所有这些都会损害系统的便携性。同样,即使传感器可以传输电信号,但如果要与其他电子设备一起使用,仍然需要额外的电线。

  在这方面,必须将电源、无线通信装置和压力传感器集成在一起。通过将此类便携式设备与智能手机进行无线连接,可以轻松地将来自设备的信息转换为数据,进行分析或直接在智能手机上显示。这些收集到的信息最终可以用作分析相关数据(如人体健康数据)从微观到大趋势的基础。

  韩国延世大学研究人员提出了一种小型化、重量轻和电压驱动的系统,该系统可以通过(1)直接打印的方法在传感器基板背面制备内置的电池;(2)压敏开关通过消除待机功耗来实现低功耗驱动;(3)无线通信模块可以与外部电源进行远程互操作。内置可打印电池具有出色的充电/恒电流放电循环性能,适用于具有频繁充放电循环的可穿戴设备。并且还证明了由蓝牙模块、传感器和电池组成的设备可以将压力感应反馈转换为电信号,再传输到蓝牙模块,并立即显示在智能手机的屏幕上。尽管已经对可印制电池基板的应用进行了一些研究,但是尚未对全功能设备和无线通信的实际实现进行过报道。此外,设置传感器阵列可以形成对有压力响应的有机发光二极管,让用户识别可视化的局部压力信息。同时,通过操作压力切换,电池的能量消耗增加。通过构建无线通信系统,传感器结果可以转换为数字信号。而无需额外费用。这些技术实现了电子传感器和移动设备之间的无线通信,从而使其变得紧凑且消耗很小功率。因此,在能源和生物医学领域的收集的数据结果是非常有前景的。

  


  图1.(a)压力传感集成系统的示意图,包括压力传感器、内置电池和无线蓝牙模块;(b)压力传感器阵列每个组件的光学显微镜图像和压力传感器一个像素的放大图像;(c)直接在压力传感器背面制造的内置电池的照片;(d)施加压力(60KPa)引起的电流变化;(e)通过OLED的FET的传输特性ID-VG曲线

  


  图2.(a)压力传感和每个组件的电学特性原理机制示意图;(b)施加不同压力时,压力传感器的传递特性ID-VG曲线;(c)实时施加不同的压力时,器件的输出电流的改变;(d)施加不同压力时,OLED发出的光的强度的改变;(e)制备的压力传感器-OLED的发光响应和PDMS薄膜压缩测试得出的真实应力-应变曲线的比较;(f)在相同的60 KPa外加压力下实时比较有无开关的压力传感器的响应值;(g)比较重复压力传感器操作时有无开关的功耗;(h)在60 KPa压力下对压力传感器进行循环测试

  


  图3.(a)单片集成13.5 VSB-LIB的示意图,其中OLED内部串联连接的5个平面型双极配置的电池(左)和单位电池的截面SEM图像(右);(b)电池中的离子/电子传输的示意图;(c)通过紫外线固化辅助印刷在SiO2介电层上逐步制造SB-LIB的过程的照片;(d)恒电流放电曲线;(e)SB-LIB在电流密度为0.1 C/ 0.1 C下,7.5-13.5 V电压范围内的充放电循环性能;(f)SB-LIB的开路电压随时间的变化曲线;(g)暴露于热冲击(120 ℃/h)之前与之后的SB-LIB充放电曲线的比较;(h)SB-LIB的温度随SoC的变化(0%、50%和100%)的照片

  


  图4.(a)有源矩阵传感器阵列的相应电路,可选择性读出电响应并无线传输至智能手机;(b)由压力传感器、内置电池和蓝牙组成的集成设备的照片;(c)施加压力而发光的单个传感器像素的照片,以及通过无线通信接收压力信息手机的捕获图像;(d)施加压力而发光的传感器阵列的照片,以及通过无线通信接收压力信息手机捕获的图像

  参考文献:WoonHyung Cheong, Byungkook Oh, Se-Hee Kim, Jiuk Jang, Sangyoon Ji, Seunghee Lee,Jinwoo Cheon, Seunghyup Yoo, Sang-Young Lee, Jang-Ung Park. Platform forwireless pressure sensing with built-in battery and instant visualization. NanoEnergy, 2019, 62: 230-238.

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